2020年半导体硅片行业研究度报告
导语
根据SEMI 统计，2018 年全球半导体材料市场中，半导体硅片的销售额为121.2 亿美元，占比37.6%，是所有半导体材料中占比最高的品类。根据中芯国际招股说明书披露，在2019年的原材料采购中，半导体硅片成本占比高达40.8%，远超其他原材料，是晶圆制造中最为重要的一环。
硅片是半导体制造工业的源泉
天资卓越的半导体材料——硅
硅元素是半导体材料中应用最广泛的元素，具有4 个价电子，与其他元素一起位于周期表中的IVA 族。常见的半导体材料包括硅（Si）、锗（Ge）等元素半导体及砷化镓（GaAs）、氮化镓（GaN）等化合物半导体。若在单晶硅中掺入某些3 或5 价的元素，分子结构将发生很大改变，其导电能力将得到很大的提高，但与金属等导体的导电能力比还是较低，因此称为半导体。根据掺杂元素的不同，可以制造出N 型和P 型半导体，它们都是制造电子元件的主要材料。
硅片主要应用于半导体和光伏领域，其中半导体硅片的制造技术要求更高，下游应用也更广泛，市场价值也更高。半导体和光伏领域使用的硅片差异主要体现在类型、纯度和表现性质上。从类型来看，半导体硅片均为单晶硅结构，而光伏硅片既可以是单晶硅结构，也可以是多晶硅结构。从纯度来看，半导体硅片对纯度的要求更高，达99.9999999% （9N）以上，而光伏硅片对纯度要求较低，在99.99%-99.9999%（4N-6N）之间。从表面性质来看，半导体硅片表面的平整度、光滑度以及洁净程度要比光伏硅片高，需要经过后续的研磨倒角、抛光、清洗等环节。由此可见，半导体硅片较光伏硅片的加工难度更高、下游应用的附加值也更高。
半导体硅片对IC 产业链至关重要
集成电路的主要工序为IC 设计、晶圆制造、封装和测试。IC 设计公司根据下游用户（系统厂商）的需求设计芯片，然后交给晶圆代工厂进行制造，其主要任务就是把IC 设计公司设计好的电路图移植到硅晶圆制造公司制造好的半导体硅片上。完成后的晶圆再送往下游的IC 封测厂，由封装测试厂进行封装测试，最后将性能良好的IC 产品/芯片出售给系统厂商。
半导体硅片参与了从制造到封测的所有流程，是集成电路制造中最为基础的原材料。集成电路的上游包括原材料和在各生产环节的主要生产设备。原材料包括晶圆制造材料和封装材料。晶圆制造材料包括半导体硅片、光罩、高纯化学试剂、特种气体、光刻胶、靶材、CMP 抛光材料等。封装材料包括引线框架、封装基板、陶瓷封装材料、键合丝、包装材料、芯片粘结材料等。其中半导体硅片是参与度最高的基础原材料，晶圆制造所有流程均在半导体硅片的基础上进行。
半导体硅片种类繁多，应用场景多变
?按尺寸大小进行分类
12 英寸硅片是目前半导体硅片市场中占比最高的产品。半导体硅片尺寸（以直径计算）主要有50mm（2 英寸）、75mm（3 英寸）、100mm（4 英寸）、150mm（6 英寸）、200mm （8 英寸）与300mm （12 英寸）等规格。在摩尔定律的影响下，半导体硅片从70 年代起不断向大尺寸的方向发展。根据SEMI 的统计数据，2018 年，12
英寸硅片和8 英寸硅片市场份额分别为63.8%和26.1%，合计占比接近90%。由于移动通信、计算机等终端市场持续快速发展，12 英寸半导体硅片成为半导体硅片市场中最主流的产品。
增大半导体硅片尺寸可提高芯片良品率、提高生产效率以及降低单位生产成本。大尺寸半导体硅片的良品率更高。据测算，12 英寸半导体硅片较8 英寸半导体硅片，表面积增加了392.7cm2，而较大尺寸的半导体硅片可拥有更多数量和更大比例的完整芯片（边缘地带被浪费的区域比例更低），因此将拥有更高的良品率。单位面积的更大尺寸半导体硅片可生产更多芯片，从而提高生产效率。以边长大小500mil（1mil=1/1000inch）的芯片为例，12 英寸半导体硅片可生产410 片芯片，而8 英寸半导体硅片仅能生产191 片。此外，大硅片的成本优势还源于对于其他半导体材料的节约。半导体材料中的
很多材料如光刻胶、湿电子化学品等都属于消耗品，使用次数有一定限制。提高在单次制造过程中可生产的芯片数量，可以降低材料总成本，从而降低单位生产成本。
未来几年，12 英寸仍将是半导体硅片的主流品种，18 英寸硅片因技术研发困难及设备制造成本高昂等因素尚未进入量产阶段。18 英寸是继12 英寸之后的下一代半导体硅片设计尺寸，但由于12 英寸硅片可满足当前生产需求，18 英寸硅片设备研发难度极大，导致各大厂商担忧投资回报不足。尽管生产效率可能会有一定程度的提高，但是当前使用18 英寸硅片不具备成本优势。据SEMI 估算，一个18 英寸晶圆厂的耗资远超出12 英寸晶圆厂的投入成本，但只能使芯片单位面积价格下降8%，因此晶圆厂向18 英寸转移的速度较缓。
?按制造工艺进行分类
根据制造工艺分类，半导体硅片主要可以分为抛光片、外延片与以SOI 硅片为代表的高端硅基材料。单晶硅锭经过切割、研磨和抛光处理后得到抛光片；抛光片经过外延生长形成外延片；抛光片经过氧化、键合或离子注入等工艺处理后形成SOI 硅片。除以上三种主流硅片外，半导体硅片还包括退火片、扩散片、结隔离片等不同种类。
抛光片：该种硅片是基础的半导体硅片，也是外延片、SOI 硅片的衬底材料。硅片表面颗粒度和洁净度对半导体产品的良品率有直接影响。抛光工艺可去除加工表面残留的损伤层，实现半导体硅片表面平坦化，并进一步减小硅片的表面粗糙度，以满足芯片制造工艺对硅片平整度和表面颗粒度的要求。抛光片可直接用于制作半导体器件，广泛应用
于存储芯片与功率器件等半导体器件，也可作为外延片、SOI 硅片的衬底材料。
外延片：该种硅片提升了器件的可靠性，并减少了器件的能耗，因此在工业电子、汽车电子等领域广泛使用。外延是通过化学气相沉积的方式在抛光面上生长一层或多层，掺杂类型、电阻率、厚度和晶格结构都符合特定器件要求的新硅单晶层。外延技术可以减少半导体硅片中因单晶生长产生的缺陷，具有更低的缺陷密度和氧含量。外延片常在CMOS 电路中使用，如通用处理器芯片、图形处理器芯片等，由于外延片相较于抛光片含氧量、含碳量、缺陷密度更低，因此提高了栅氧化层的完整性，改善了沟道中的漏电现象，从而提升了集成电路的可靠性。除此之外，低电阻率的硅衬底上通常可外延生长一层高电阻率的外延层，应用于二极管、IGBT（绝缘栅双极型晶体管）等功率器件。
SOI 硅片：SOI 即绝缘体上硅，是较为先进的硅基材料之一，其核心特征是在顶层硅和支撑衬底之间引入了一层氧化物绝缘埋层。SOI 硅片的优势在于可以通过绝缘埋层实现全介质隔离，这将大幅减少半导体硅片的寄生电容以及漏电现象，并消除了闩锁效应。SOI 硅片具有寄生电容小、短沟道效应小、低压低功耗、集成密度高、速度快、工艺简单、抗宇宙射线粒子的能力强等优点。因此，SOI 硅片适合应用在要求耐高压、耐恶劣环境、低功耗、集成度高的芯片上，如射频前端芯片、功率器件、汽车电子、传感器以及星载芯片等。
半导体硅片制造技术概览
直拉法：此技术是生长单晶硅的主流技术，成本较低，普遍用于制作大尺寸硅片。直拉法（Czochralski Method，简称CZ 法）是1918 年由切克劳斯基从熔融金属中拉制细灯丝，并在50 年代建立起来的一种晶体生长方法，目前只有该方法能做出大于8 英寸的晶圆。直拉法的步骤是把原料多晶硅块放入石英坩埚中，在单晶炉中加热融化，再将一根直径只有10mm 的棒状晶种（籽晶）浸入融液中。在适合的温度下，融液中的硅原子会顺着晶种的硅原子排列结构在固液
交界面上形成规则的结晶，成为单晶体。直拉法可用于制造8、12 英寸半导体抛光片、外延片、SOI 等各种半导体硅片，主要应用在低功率的集成电路元件。
区熔法：该法可生产目前纯度最高的硅单晶，但成本也较高，普遍用于生产小尺寸硅片。区熔法（Floating Zone Method，简称FZ 法）是利用热能在棒料的一端产生熔区，再熔接单晶籽晶的一种方法。调节温度使熔区缓慢地向棒的另一端移动，通过整根棒料，生长成一根单晶，晶向与籽晶的相同。区熔法不能像直拉法那样生产大直径的单晶，并且晶体有较高的位错密度，在进入21 世纪之前主要用于生产 5 英寸的硅片。但是区熔法不需要像直拉法那样使用石英坩埚，所以可生长出直拉法无法生产出的低含氧量高纯硅晶体，用于高功率的晶闸管和整流器等。
下游增长迅速，半导体硅片市场空间广阔
半导体硅片是半导体材料的“半壁江山”
半导体硅片是全球半导体材料中市场占比最高且最重要的原材料。根据SEMI 统计，2018 年全球半导体材料市场中，半导体硅片的销售额为121.2 亿美元，占比37.6%，是所有半导体材料中占比最高的品类。根据中芯国际招股说明书披露，在2019 年的原材料采购中，半导体硅片成本占比高达40.8%，远超其他原材料，是晶圆制造中最为重要的一环。
全球半导体市场回暖，长期上行趋势不改
全球半导体市场整体呈现上行趋势。全球半导体销售额2009 年至2019 年年均复合增速达到 6.0%，我国半导体销售额2014 年至2019 年年均复合增速达9.5%。2019 年全球及ZG半导体市场销
售额出现较大幅度下滑，主要是由于占半导体市场26.7%的存储器市场因供给过剩，价格下降，收入下滑31.5%。其中DRAM 在2019 年因库存积压导致价格走低，平均售价下降47.4%，营收下降37.5%。但截止至2020 年5 月，半导体市场销售额同比2019 年已有较大幅度修复。半导体市场虽然在2019 年出现短暂萎缩，但从长期来看，需求依旧强劲。受5G、新能源汽车、物联网等新型产业的驱动，半导体市场规模有望持续增长。
全球半导体硅片的出货量与全球半导体出货量增速及全球GDP 增速强相关。半导体硅片行业具有产品标准化程度高，行业壁垒高，业内厂商少、单笔采购金额大的特点，因此具有明显的周期性。由于半导体硅片是半导体产业中市场占比最大的材料，因此全球半导体硅片出货量增速与全球半导体出货量增速走势基本一致。半导体硅片出货量与GDP 走势也大致相似。2007 年，半导体硅片市场受到美国次贷危机波及，增速陷入短暂停滞。但在2009 年经济开始恢复之后，半导体硅片市场再次回归高速发展轨道。
短期波动不改长期趋势，全球硅片需求整体向上。受2020 年疫情影响，半导体硅片市场预计在短期内会受到GDP 下滑的波及，但由于下游5G、新能源汽车等终端市场需求持续增长，在长期内硅片市场需求依旧向上。
我国半导体硅片市场增速高于全球平均水平。2014 年起，随着ZG 各半导体制造生产线投产、ZG半导体制造技术的不断进步与ZG半导体终端产品市场的飞速发展，ZG 大陆半导体硅片市场步入了飞跃式发展阶段。根据SEMI 统计，2016 年至2018 年，中国大陆半导体硅片销售额从5.0亿美元上升至9.9亿美元，年均复合增长率高达40.9%，远高于同期全球半导体硅片的年均复合增长率25.7%。细分来看，在排除了疫情的影响后，2020 年ZG 8 英寸和12 英寸硅片需求量预计增速较快。在未考虑疫情带来影响的假设下，赛瑞研究预计2020 年ZG市场8 英寸半导体硅片需求量为307 万片/月，同比增长23%；12 英寸半导体硅片需求量为312 万片/月，同比增长8%。
ZG晶圆厂产能扩张拉动半导体硅片需求
从半导体发展历史来看，全球半导体行业共经历了三次产能转移。半导体行业诞生于美国硅谷，借助第二次世界大战的海量订单实现行业的腾飞。二战时期，政府的大量订单为美国企业提供了近乎源源不断的资金来源，美国企业不断兼并上下游企业，形成了涵盖研发设计、生产制造和封装测试的IDM 模式。之后，随着日本、韩国、ZG台湾、ZG大陆的经济快速发展，半导体产业逐步从美国转移出去。
我国集成电路的自给率持续提高，从2009 年10.2%增长至2019 年15.6%。我国集成电路的供给和需求总体呈现同步增长的态势，从2009 年到2019 年，需求规模从410 亿美元增长至1250 亿美元，年均复合增速为11.8%，产出规模从42 亿美元增长至195 亿美元，年均复合增速为16.6%，产出增长速度高于需求增长速度。根据IC Insights 预计，2019-2024 年，需求年均复合增速约11%，
而产出年均复合增速将增长至约17%，我国集成电路自给率预计在2024 年提高至约21%。
全球12 英寸晶圆厂产能增长速度放缓。根据IC Insights 统计，2018 年全球12 英寸晶圆厂数量为112 家，预计2019 年-2023 年增速从8.0%下降至2.2%。根据IC Insights 统计，ZG地区是唯一在2019 年实现晶圆厂规模增长的地区，同比2018 年增长约6%。美国晶圆厂规模在2019 年同比下降约2%，亚太地区与2018 年持平，欧洲地区下降约11%，日本下降约13%。ZG市场增长是拉动2019 年全球晶圆厂规模增长的主要动力
在已有和新投产能中，以12 英寸晶圆为主。国内芯片巨头中芯国际以及其子公司中芯北方、中芯南方总计12 英寸晶圆产能预计可达每月9.6 万片。除中芯国际外，产能规模最大的前三名厂商分别是SK 海力士、华虹和三星电子。截至2020 年8 月，SK 海力士总
计12 英寸晶圆产能可达18.0 万片/月，华虹总计12 英寸晶圆产能可达11.8 万片/ 月，三星电子12 英寸晶圆产能可达10.0 万片/月。总的来看，当前我国境内晶圆工厂（含海外公司在华建厂）12 英寸晶圆已投产能在86 万片/月以上，在建产能达26 万片/月以上。
不同类别半导体硅片市场空间分析
半导体器件的不同制程水平决定了半导体硅片的需求结构。随着半导体器件制程水平的提升，产品良率也会相应下降。使用更大尺寸硅片作为衬底的先进制程芯片，可获得更低的单位成本以及稳定的产品出货量。因此，更先进、成熟的半导体器件主要采用12 英寸硅片制造。
12 英寸硅片涵盖从成熟到先进制程的半导体器件，主要应用于智能手机及个人电脑的逻辑芯片、存储芯片和CIS 图像传感器等；8 英寸硅片涵盖90nm 至0.5μm 制程的半导体器件，主要应用于物联网、汽车MCU 芯片、射频芯片、基站通讯设备DSP 等；6 英寸以下硅片所应用产品的制程范围在0.35μm-1.2μm 及以上，主要应用于功率半导体、射频和MEMS，其中以二极管、晶闸管功率器件为主。
12 英寸半导体硅片市场占比最大，SOI 硅片市场销售额增速最快。根据SEMI 的统计数据，2018年12英寸半导体硅片占除了SOI 硅片的半导体硅片市场出货面积的63.8%，由于人工智能、区块链、云计算等新兴终端市场的蓬勃发展，2016-2018 年出货面积年均复合增速为8.4%；8 英寸半导体硅片出货面积占比26.1%，受益于汽车电子、工业电子、物联网等应用领域的强劲需求，2016-2018 年出货面积年均复合增速达10.4%；2018年SOI硅片的市场销售额为7.2亿美元，受智能手机射频通讯需求拉动，2016-2018 年SOI 硅片全球销售额年均复合增速达27.5%，增幅较大。